中水處理工程自動控制系統設計

李 妍，蔣金明，孔 超，王 玥，楊 程，姚 潔

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074）

1 寧東基地南湖中水廠項目工程概況

該供水工程方案是以小南湖水為水源，建設取水泵站（取水近期規模5×104m3/d），通過原水管線輸至中水廠，在中水廠內經過臭氧氧化、混凝沉淀過濾常規處理及超濾反滲透深度處理達到電廠回用水的要求后（出水近期規模3×104m3/d），再通過泵站和配水管網輸配至各家用水單位，出水水質執行GB 50050—2007工業循環冷卻水處理設計規范，再生水直接作為間冷開式系統補充水水質指標。

中水廠處理工藝采用臭氧氧化+常規反應絮凝過濾+超濾（UF） +反滲透（RO）。

2 自動控制系統

根據水廠的供水規模和生產工藝要求，以及生產構筑物的分布情況，寧東基地南湖中水廠生產自動控制系統，采用集中監控管理，分散控制和就地控制相結合的分布式智能監測、控制方式。主要包括3大層次，生產管理層、監控管理層和過程控制層。

2.1 生產管理層

生產管理層設置在綜合樓內，由1臺管理型交換機和4臺管理型監控站組成，分別設置在廠長室、總工程師室、生產管理部門、化驗室，對全廠運行情況進行集中管理和下達指令等。

2.2 監控管理層

監控管理層即水廠中心控制室設置在綜合樓內。由操作站2臺，雙機熱備（其中一臺作監控機，另一臺作為監控備用機，兼作管理機用）、數據服務器1臺、打印機、模擬屏、投影儀、網絡交換機、工程師鍵盤、操作員鍵盤、不間斷電源等組成。

本系統所配置的硬件和軟件具有數據采集、圖形功能、控制功能、報警功能、安全操作、動態顯示、數據管理、自動生成生產報表和自診斷功能。

中央監控站2臺操作站可以分擔不同的功能，雙機熱備，具有靈活的運行方式。

2.3 過程控制層

該層為自控系統的核心部分，它由設置在各工藝環節的PLC現場控制單元、各工藝環節的檢測儀表及被控制執行元件等組成。自動控制原理：在各PLC現場控制站設置操作顯示系統。PLC控制站可根據試驗數據，檢測點儀表提供的參數等信息，進行就地編程、修改和在線診斷等。根據設定好的程序，通過環形以太網與中央監控系統連接，既可實現就地控制，也可完成中央控制。同時所有的控制均可實現現場控制，以便設備檢修及測試。

各PLC控制站的設置：①PLC1控制站設置在臭氧發生間配電室，負責臭氧發生間、臭氧接觸池、格柵間的設備控制和數據采集；②PLC2控制站設置在加藥間控制室，負責加藥間的設備控制和數據采集；③PLC3控制站設置在反沖洗設備間控制室，負責反沖洗設備間、水處理設施間參數采集及設備控制。具有每個濾池反沖洗排隊功能，并根據工藝要求對其進行控制。該站下掛6個（PLC3-1～PLC3-6） 就地控制站，分別設置在各濾池，用于濾池的反沖洗程序控制；④PLC4控制站設置在變配電間，負責變配電間參數采集及設備控制；⑤PLC5控制站設置在脫水機房控制室，負責脫水機房、污泥投配泵房、污泥濃縮池、排泥調節池、廢液調節池、廢液排放泵房等設備控制和數據采集；⑥PLC6控制站設置在送水泵房控制室，負責送水泵房設備控制和數據采集；⑦PLC7控制站設置在取水泵站控制室，負責取水泵站設備控制和數據采集；⑧UF-RO系統間自帶PLC控制站，負責UF-RO系統間設備控制和數據采集。

寧東基地南湖中水廠計算機控制系統見圖1。

圖1 寧東基地南湖中水廠計算機控制系統

3 網絡結構

由現場控制站、就地控制站組成的分布式控制層，采用現場總線方式；由中控室監控管理站、現場控制站組成的人機界面監控層，采用環形工業以太網方式（通訊速率100 Mb/s）。

采用標準的、開放的網絡系統能很好地解決不同制造商設備之間的通信。在變電站低壓配電室設RS-485標準接口，對10 kV、0.4 kV進出線的電壓、電流、功率因數等模擬量采集，對低壓配電的電壓、電流、耗電量等模擬量的采集。對所有開關柜、主變壓器、操作機構的狀態量進行數據采集監視。所有數據通過網絡總線連接。

整個系統結構簡單，可靠性高，人機界面好；同時便于擴容。

4 設計難點

根據小南湖水質特征，為滿足本系統產水水質要求，必須要進行脫鹽處理。反滲透技術是當今世界公認的最為先進、有效的的脫鹽方式。反滲透膜是一種高分子材料，是反滲透技術的核心。為保證反滲透膜長期穩定安全運行，生產廠商都規定了膜元件使用時的控制參數：操作壓力、進水流量、進水溫度、進水pH范圍、進水濁度、進水SDI、進水余氯、濃縮水與透過水量的比值和壓力損失等，這些都是需要重點監測的關鍵數據指標，運行時必須將反滲透裝置的實際工況嚴格控制在上述參數的允許范圍。因此在此處必須選用高精度、高可靠性、低維護率的優質儀表，比如HACH、E+H等品牌。

難溶性鹽和膠體顆粒是造成膜污染的主要物質。膜被污染后，主要表現為產水量降低，膜系統壓差增大，有時也會影響脫鹽率。給水和其產生的濃水在膜表面的橫向流速越高，膜的受污染程度就越低。因此設定最小濃水流量用來保護膜組件中的末端反滲透元件，同時每套反滲透裝置各設置3個流量檢測點：前2個設置在產水處，對每一段淡水流量的變換進行標準化換算；后一個設置在排放濃水處，以便在運行中監督和控制濃水排放量。如此一來，可以計算各段的進水流量和回收率，換算出來的參數同時作為系統中各藥劑投加裝置自動投加量控制的依據。

防止膜污染的另一個關鍵是進水殺菌處理。含有微生物和有機物的水進入反滲透膜組件后，會在膜表面發生濃縮，造成膜的生物污染，嚴重時可導致膜元件變形，水通量下降。本工程前處理工藝采用加氯方式消毒滅菌，因此控制反滲透膜組件的進水余氯含量，就成為延長膜的使用壽命，保證裝置穩定連續運行的又一個關鍵。因此在反沖洗泵房設置余氯檢測點，安裝在線式余氯檢測儀。檢測儀傳感器安裝在反滲透提升泵的出水取樣管上，余氯檢測參數以4～20 mA標準信號形式上傳至自動控制系統，實現指示、記錄、越限報警功能，并控制前處理工段的氯液投加量。

5 處理效果和結論

系統建成后經3個月調試，對工程出水進行連續監測，監測出水主要水質指標均達到理想效果，其中溶解性總固體≤1 000 mg/L，BOD≤5 mg/L，COD≤30 mg/L。

寧東小南湖中水廠采用了先進的PLC控制技術、數字化網絡技術、先進的傳感器技術、現場總線技術、數字圖像監控技術，建立了設備運行的自動化系統、運行參數的實時監控系統、成品水出廠的質量保證系統、運行現場圖像的實時監控系統。實現了設備運行、報表生成、運行分析、成本核算等自動化，實現了中水廠運行管理的高度自動化。該控制方案體現了功能和風險的分散化、管理及通訊的集中化、網絡化的特點。運行管理靈活方便、投資省，同時系統擴展也尤為方便。

［1］HG/T 20509—2014儀表供電設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2014.

［2］HG/T 20507—2014自動化儀表選型設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2014.

［3］HG/T 20512—2014儀表配管、配線設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2014.

［4］HG/T 20513—2014儀表系統接地設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2014.

［5］HG/T 20508—2014控制室設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2014.

［6］HG/T 20511—2014信號報警及聯鎖系統設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2014.

［7］HG/T 20700—2014可編程序控制器系統工程設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2014.

［8］GB 50093—2013自動化儀表工程施工及質量驗收規范［S］.北京：中國計劃出版社，2013.